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空气净化器30m³试验舱的研制

2020-01-23 09:31来源:中国家用电器研究院作者:林思建 段成贤 刘皓男 曹瑞林网址:http://www.jiadiantech.org浏览数:77 


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摘要:满足各类空气净化器污染物的洁净空气量、净化能效性能检测本文设计研制空气净化器30m³环境试验舱主要由内外舱主体空气净化系统、温湿度控制系统、空气循环系统、数据监控系统等本文应用JJF 102-2018空气净化器性能试

验舱校准规范试验舱的主要技术指标容积、温湿度、气密性、混合度、回收率、本底浓度进行了实验验证数据明,本文所述空气净化器30m³试验舱各项指标满足计量规范要求

关键词:空气净化器 30m³试验 GB/T 18801-2015 洁净空气量

Development of 30 Cubic Meters Test Chamber for Air Purifier

Lin sijianDuan chengxianLiu haonanCao ruilin

(China Household Electric Appliance Research Institute,100053)

AbstractIn order to meet the requirements of various air purifiers for testing the clean air quantity and purification energy efficiency of different pollutants, this paper designs and develops an environmental test chamber of 30 cubic meters of air purifiers, It mainly consists of main body of inner and outer cabin, air purification system, temperature and humidity control system, air circulation system, data monitoring system and so on. In this paper, JJF 102-2018 calibration specification for air purifier performance test chamber is applied to verify the main technical indexes of the test chamber: volume, temperature and humidity, air tightness, mixing degree, recovery rate and background concentration. The data show that the indexes of 30 cubic meters test chamber of air purifier meet the requirements of standard specification.

KeywordsAir purifier;30 cubic meter test chamber;GB/T 18801-2015;Clean air capacity


1、引言

随着国民经济的增长人们的消费水平日益提高,室内空气污染问题得到越来越多的关注幼儿园、写字楼、家庭居室等180余户的调查依据GB/T 18883-2002室内空气质量》国家标准判定,室内空气质量合格率仅为34.7%,污染问题主要集中在吸入颗粒物甲醛、苯、氨、TVOC 微生物[1]。作为室内空气净化类家用电器空气净化器近些年呈现井喷式的爆发,但不少国内企业入行晚,研发实力薄弱导致其产品质量参次不齐目前空气净化器现行国家标准主要GB 4706.45-2008《家用和类似用途电器的安全 空气净化器的特殊要求》、GB/T 18801-2015《空气净化器》GB 21551.3-2010 《家用和类似用途电器的抗菌、除菌、净化功能 空气净化器的特殊要求作为评价空气净化器颗粒物、甲醛目标污染物净化能力的洁净空气量(CADR),除菌能力的除菌[2]等主要性能均需要在30m³试验舱中进行检验因此,研制30m³试验舱对于评测空气净化器净化性能质量提高产品质量有着十分重要的现实意义。

2、空气净化器洁净空气量检测方法

空气净化器净化颗粒物、甲醛、甲苯污染物CADR试验过程如下:

1)稳定的温度、相对湿度、本浓度试验条件符合标准要求

2试验内注入定量的目标污染物先后进行自然衰减测试总衰减测试,直到达到规定的测试时间停止实验

3自然衰减测试过程中,待测样机处于停止工作状态,总衰减测试过程中,待测样机处于最高净化状态

4按标准要求时间短测量试验舱内污染物浓度并对试验数据进行线性拟合分别获得自然衰减系数kn和总衰减系数ke

5通过数据运算,进而获得洁净空气量Q(mg/m³[3]具体公式(1),其中V代表试验舱容积(m³)

       (1)


3、空气净化器30m³试验舱的设计

30m³试验舱研制涉及空气调节、材料、生物化学机械、电气多个学科、多个专业,是一项复杂的系统性工程。不同于高低温湿热试验箱运行时,恒温恒湿空调机组直接与试验箱循环进行湿量、热量交换[4]30m³试验舱属于高度密闭型试验舱[5],开始试验后,便不能与恒温恒湿空调机组进行气流上的湿热交换。结合GB/T 18801-2015 《空气净化器》国标要求本文所述30m³试验舱整体采用内外舱嵌套式设计,主要内外舱主体空气净化系统、温湿度控制系统、空气循环系统数据监控系统组成具体原理见图1

1:空气净化器30m³试验舱原理

3.1外舱

内舱为试验测试主体内部尺寸*宽*高=3.5m*3.4m*2.5m整体由不锈钢框架组建四壁采用钢化玻璃,顶板以及地板采用不锈钢,舱体拼接缝隙采用聚四氟乙烯条及硅酮密封胶密封顶部中央设有直径1.2m搅拌风扇,用于混合污染物气体;侧方离地1.5m,距后壁0.4m处设有一循环风扇便于试验过程中空气的循环送样口和采样口总计8个,用于不同污染物的注入和采集。另外,试验舱内部还设有照明装置、紫外消毒灯、电源插座等。外舱防火、隔热岩棉板搭建,用于保证外舱环境处于恒温环境,降低由于外舱热交换内舱湿度的影响进而保证污染物稳定性

3.2空气净化系统

为满足试验舱本浓度的要求,试验舱配置空气净化系统包含两套组合式过滤模块主要效过滤器、风机活性炭过滤器组成分别位于送风管道和排风管道中,前者结合空气循环系统中的内循环操作模式,可有效净化吸附试验舱内部污染物试验舱提供符合标准要求洁净空气;后者结合换气操作模式,可有效保证试验舱排出的气体符合环保排放要求,减少大气环境污染其中,中效过滤器高效过滤器主要用于过滤粒径1μm以及0.3μm以上的颗粒物;而活性炭过滤器主要用于吸附分解甲醛、苯、TVOC等气态有机污染物[6]

3.3温湿度控制系统

温湿度控制系统用于调节试验的温以及相对湿度蒸发器、加热器加湿器变频风机等组成选用恒温恒湿机组制冷量5KW制热量4.5KW湿量5kg/h风量3000m³/h控制原理图如图2所示试验舱的回风温度、湿度作为基准点,控制器实时检测并将其设定的温度、湿度进行对比,通过执行PID算法[7],自动调节压缩机(降温、除湿器、加湿器输出功率,进而实现试验恒温恒湿控制

图2温湿度控制系统原理

3.4空气循环系统

空气循环系统包含换气内循环、外循环三种模式换气是指气流从新风阀经内舱送风阀、内舱出风阀、排风阀、组合式过滤模块至排风管道,主要用于试验结束后的排出残余污染物循环指恒温恒湿空调结合组合式过滤模块与内舱形成循环系统过程,在此过程中,新风阀、排风阀关闭,内舱送风阀内舱出风阀回风阀打开主要用于试验开始前的调节内舱温度相对湿度、以及本浓度阶段;外循环是指恒温恒湿空调结合组合式过滤模块与外形成循环系统过程在此过程中,新风阀、排风阀、内舱送风阀内舱出风阀、关闭,外舱送风阀、外舱出风、回风阀打开,主要用于试验进行的外舱保温。

3.5数据监控系统

结合空气净化器检测试验过程提高检测效率试验舱应用PLC控制器HMI触摸屏自动化技术实现终端器件的集中监控包含试验内外温湿度待测样机的能耗数据采集搅拌风扇循环风扇、照明灯消毒阀门、风机集中控制,系统集成图如图3所示

   

3数据系统集成图


4、空气净化器30m³试验舱性能验证

验证研制的30m³试验舱相关性能,依据JJF(轻工)102-2018《空气净化器性能试验舱校准规范》计量规范,对试验舱容积试验环境温湿度、气密性、混合度、回收率、本底浓度[8]六个主要指标进行校准验证

4.1试验容积测量

应用钢尺采用几何测量直接测量试验舱尺寸实测3.48m3.39m2.51m容积为29.61m³,满足试验舱尺寸误差≤±1%的特性具体数据如表1所示

表1试验舱几何尺寸测量数据表


项目

实测值

标准

3.48m

3.50m

-0.57%

3.39m

3.40m

-0.29%

2.51m

2.50m

0.4%


4.2试验舱内温湿度

试验环境温湿度的变化影响着空气净化器的运行状态以及颗粒物、甲醛污染物的扩散系数,保持舱内温湿度恒定是一项检测试验的必备要求。设定试验舱温度25℃,相对湿度50%RH开启内循环调节内舱环境,达到设定温湿度运行稳定后,开始测试试验舱温湿度测试间隔为2min,测试时间30min,测量数据如表2所示由数据可知,温度平均值为24.8最大偏差0.2℃,相对湿度平均值为50.9%RH最大偏差2.9%RH说明试验舱的温湿度稳定性好,满足规范要求的温度误差小于±2,湿度误差小于±5%RH

表2试验环境温湿度测量数据

时间

时间间隔h

实测温度(℃)

实测湿度

%RH

温湿度曲线图

12:00

0.00

25.1

49.1


图片4.png   


温度平均值24.8最大偏差0.7℃;

湿度平均值:50.9%RH,最大偏差2.9%RH

12:02

0.03

25.1

49.2

12:04

0.07

25.1

49.3

12:06

0.10

25.1

49.5

12:08

0.13

25.1

49.7

12:10

0.16

25

50.3

12:12

0.20

25

50.7

12:14

0.23

25

50.8

12:16

0.26

24.9

51.1

12:18

0.30

24.9

51.3

12:20

0.33

24.8

51.6

12:22

0.36

24.7

51.8

12:24

0.40

24.6

52.2

12:26

0.43

24.5

52.5

12:28

0.46

24.3

52.8

12:30

0.50

24.3

52.9


4.3气密性试验

试验过程中,试验舱内有浓度较高的污染物,气密性差的试验不仅导致检测数据出现偏差影响实验结果的准确性,而且泄漏的污染物还会危害实验人员的身体健康,因此,试验舱的气密性至关重要选用CO2作为示踪气体进行气密性测试运行测试舱达到初始稳定状态密闭试验舱,开启搅拌风扇循环风扇,二氧化碳发生器通过注入口注入CO2混合均匀并使初始浓度达到(2000mg/m³~4000mg/m³)停止搅拌风扇,开始测试,采样间隔5min,测试时间1h二氧化碳CO2浓度衰减符合公式2指数函数变化趋势,实际测试结果3


                                                                                     2

中:

 时间t时的CO2浓度,mg/m³

 t=0的二氧化碳初始浓度mg/m³

K衰减常数,h-1;t时间,h

通过线性拟合lnctt,可以得出换气次数K=0.025h-1,小于规范要求0.05h-1明试验舱的气密性良好,泄漏量小,符合规范要求

3: 气密性试验CO2浓度数据

测试时间

时间间隔h

CO2浓度(mg/m³

对数线性拟合曲线及换气次数

13:00

0.00

2542.1

图片5.png

   


h-1

13:05

0.08

2539.5

13:10

0.16

2535.4

13:15

0.25

2530.4

13:20

0.33

2524.5

13:25

0.42

2517.8

13:30

0.50

2511.0

13:35

0.58

2508.4

13:40

0.67

2504.3

13:45

0.75

2494.4

13:50

0.83

2491.2

13:55

0.92

2485.7

14:00

1.00

2481.8


4.4混合度试验

   混合度影响污染物在试验舱内的分布均匀状态如不能混合均匀则不利于空气净化器的重复性评价。选用CO2作为示踪气体进行混合度测试试验舱处于换气状态,上送下排,内舱送风阀,内舱出风阀打开,运行搅拌循环风扇,调送风15m³/h,送风管道CO2浓度稳定为(3000±1000)mg/m3,检测CO2浓度测试间隔5min,测试时间2h。实际测试数据如表4,结合混合度公式(3)(4得出文研制的试验舱混合度82.1%,满足规范规定>80%要求

 3

 4

中:

 混合%

tn试验舱一次换气所需时间,2h;

 排风口监测的二氧化碳浓度,mg/m³;

c(t完全混合时,排风口的浓度理论值mg/m³;

 送风口的二氧化碳浓度,mg/m³

 试验舱内测试开始时的本底浓度,mg/m³

 混合度试验过程中设定的换气次数0.5h-1

t时间,h。

4混合度 CO2浓度数据

测试时间

时间间隔h

风口浓度

(mg/m³

试验舱开始时的本底浓度(mg/m³

排风口浓度

(mg/m³

14:10

0.00

3606.25

915.99

985.31

14:15

0.08

3606.25

--

1118.74

14:20

0.17

3606.25

--

1239.55

14:25

0.25

3606.25

--

1367.57

14:30

0.33

3606.25

--

1488.38

14:35

0.42

3606.25

--

1603.78

14:40

0.50

3786.57

--

1711.97

14:45

0.58

3786.57

--

1818.35

14:50

0.67

3786.57

--

1915.72

14:55

0.75

3606.25

--

2005.88

15:00

0.83

3606.25

--

2099.64

15:05

0.92

3425.94

--

2187.99

15:10

1.00

3425.94

--

2263.73

15:15

1.08

3606.25

--

2332.24

15:20

1.17

3606.25

--

2400.76

15:25

1.25

3065.32

--

2469.28

15:30

1.33

3245.63

--

2535.99

15:35

1.42

3245.63

--

2591.89

15:40

1.50

3425.94

--

2645.99

15:45

1.58

3425.94

--

2703.69

15:50

1.67

3425.94

--

2759.59

15:55

1.75

3245.63

--

2815.48

16:00

1.83

3245.63

--

2867.77

16:05

1.92

3065.32

--

2911.05

16:10

2.00

3245.63

--

2945.31


4.5回收率测试

不同材料试验舱内壁对污染的吸附性不同,对于保证空气净化器复现性评价来说,回收率一项重要指标。分别甲苯、正十二烷、四苯基环己烯三种污染物进行回收率测试。试验舱稳定25℃50%RH条件后,密闭试验舱,开启搅拌风扇,挥发污染物,使初始浓度至2.0±0.2mg/m³,60分钟后记录污染物终止浓度。污染物测试数据表如表5,结合公式5,得到试验回收率=92.3%=85.9%,=82.2%,说明试验舱内壁的吸附性较小,满足规范要求的回收率80%的要求。

 5

式中

R回收率%;

 初始理论浓度,mg/m³

 终止浓度,mg/m³

5 :回收率数据

污染物

初始浓度(mg/m³

终止浓度(mg/m³)

回收率

甲苯

2.07

1.91

92.3%

十二烷

1.92

1.65

85.9%

四苯基环己烯

2.08

1.71

82.2%


4.6本底浓度测试

试验舱材料密封材料往往会散发出一定的污染物使用前,应测定各污染物的本底浓度排除影响试验运行稳定后,密闭测试舱2h,保持搅拌风扇处于运行状态,分采样检测舱颗粒物、甲醛、TVOC、甲苯浓度,每10min测试一次,测量3次平均值最终实测本底浓度:颗粒物(0.3μm以上)891个/L甲醛0.02mg/m³,TVOC 0.11mg/m³,甲苯0.04mg/m³满足规范要求的颗粒物(0.3μm以上粒径)≤1000个/L,甲醛≤0.05mg/m³,TVOC:≤0.30mg/m³,甲苯:≤0.10mg/m³。


5、

数据表明,本文研制的空气净化器30m³试验舱的试验舱容积、试验环境温湿度、气密性、混合度、回收率、本底浓度均满足GB/T18801-2015《空气净化器》国家标准,以及    JJF

102-2018 《空气净化器性能试验舱校准规范》计量规范的相关要求可以应用于空气净化器的性能检验试验舱的研制,国内空气净化器产品质量提高改善居民室内污染状况具有较大的实际意义而且推动国家标准实施,为质量监督部门提供公正的检测数据依据营造公平竞争的市场环境具有非常重要的推动作用



参考文献:

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2.GB 21551.3-2010家用和类似用途电器的抗菌、除菌、净化功能 空气净化器的特殊要求[S] .

3.GB/T 18801-2015空气净化器[S] .

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7.刘红冰,汪雨清,王腾飞,刘峰.带冷凝热回收变容量恒温恒湿系统的研究[J].建筑节能,2013,41(02):8-10.

8.JJF 102-2018空气净化器性能试验舱校准规范[s]

作者简介林思建(1987~)男,硕士研究生,工程师,主要从事家电检测设备的研究、开发,电子邮箱:linsj@cheari.com联系电话:18801128760